MW级大储能量飞轮轴系结构力学及动力学研究

当前,对于高功率大储能量飞轮储能系统的仿真和实验研究还不够充分,本工作主要针对MW/100 MJ级飞轮储能样机展开。比较分析了内置式和表贴式两种结构飞轮电机转子的结构力学,比较了不同动平衡块材质对应力及形变的影响,并开展了轴系的动力学特性分析。对飞轮样机开展了实验测试,验证了系统的稳定性。数值计算结果表明,表贴式结构形式可以使电机硅钢片应力显著降低,但是通常这种结构需要在硅钢片外缠绕碳纤维加强层,以确保运行时磁钢不会因为离心力与硅钢片发生分离。动平衡块材质为不锈钢时的应力值相较于动平衡块为铝合金时提高了45%以上。对轴系进行了动力学特性分析,在工作转速下存在着1300 r/min和4200 r/min两个刚性振型,分别为平动和锥动。测试运行中,飞轮轴系在1300 r/min出现振动峰值,证明了数值仿真计算的准确性。但是数值仿真中的4200 r/min临界转速(锥动)在实际运行中并未出现明显峰值,在本工作的轴系结构中,相较于锥动,平动振型更容易被激发。

飞轮储能技术在断路器动态特性检测中的应用

在地铁列车断路器动态特性检测中,引入飞轮储能系统能够有效回收列车再生制动能量,稳定断路器开关动作电压,但单飞轮储能系统容量较小,难以满足列车再生制动能量利用需求,飞轮储能阵列(FESA)是解决这一问题的有效手段.首先,分析飞轮储能系统的数学模型和运行特性;然后,考虑稳压节能及弱磁需求,给出基于多电压阈值的单飞轮储能系统控制策略,并在此基础上针对飞轮阵列均速控制和工作模式管理等核心问题,提出基于转差修正控制和基于“电压-转速-电流”三闭环控制的两种飞轮储能阵列控制策略;最后,通过仿真和实验验证飞轮储能阵列控制策略的可行性.

储能型复合调相机关键技术分析

针对新能源场站惯量、无功功率不平衡、有功及频率支撑能力不足的问题,提出了一种将飞轮储能技术与双馈电机技术结合起来的储能型复合调相机,该调相机结合锂电池储能,提升了系统的调频速度与容量。与同步调相机相比,可以利用滑差进行大转速范围的调功,在相同的惯量下,储能型复合调相机调功时间更长,更有利于增强电力系统的稳定性。对储能型复合调相机进行了仿真分析,结果表明,其具有良好的功率调节特性,应用于电力系统中,既可实现发电、储能、调相等功能,又可实现有功功率和无功功率双向大范围迅速调节。

基于扰动观测的小型反作用飞轮高精度控制

反作用飞轮是卫星姿态控制系统的关键部件,其性能指标直接关系到光学遥感卫星的控制精度。为了实现高精度的反作用飞轮转速控制,提出了一种基于扰动观测器的非线性控制方法。首先,建立了基于无刷直流电机的反作用飞轮数学模型,分析了影响转速控制精度的因素,并构建了用于控制器设计的非线性模型。然后,结合扰动观测器和非线性控制理论设计了基于扰动观测的非线性控制器,并利用李雅普诺夫理论证明了控制方法的稳定性。最后,通过数值仿真证明飞轮转速可以平稳达到控制目标值,精度优于传统的PI控制方法,并在飞轮实体上验证了本文方法的有效性。

高速永磁电机复合转子多尺度强度数值分析

传统高速永磁电机多采用块状永磁体结构,在高速旋转下极易导致烧结永磁体的破坏。为提高转子机械强度,提出一种新型复合转子结构,该结构使用磁粉胶膜/碳纤维复合磁性材料代替烧结永磁体,采用多尺度分析方法,对其性能进行研究。在细观尺度上,利用均匀化理论分析碳纤维单元的力学性能,再根据单胞结构理论分析磁粉胶膜单元的力学性能;在宏观尺度上,将各单元的性能作为多层复合磁性材料中各单层的有效性能,采用经典层合板理论计算复合磁性材料整体力学性能,并与拉伸试验对比,验证多尺度分析方法的正确性。最后,利用有限元软件对不同尺度转子模型进行强度数值模拟,研究不同尺度下模型的应力分布情况,研究结果证明了在细观尺度下的转子应力分析更加精确。

高速飞轮与电机耦合动力学模型研究

基于替代映射方法分别建立主动磁轴承和永磁同步电机的非线性模型,并与飞轮转子动力学模块、PID控制器等组件结合,构造高速飞轮转子与电机耦合的非线性动力学系统模型。仿真结果表明,替代映射方法计算得到的永磁同步电机齿槽转矩数值与有限元模型结果之间误差较小,具有良好的精度,可正确描述其基频到多次倍频的振动特性。永磁同步电机转子偏心作用力随着转子振幅的增大而增强,会显著削弱主动磁轴承对飞轮转子的控制能力。基于前人“双弹簧”模型,结合永磁同步电机替代映射模型,建立包含主动磁轴承和永磁同步电机的“三弹簧”模型。仿真计算结果表明,永磁同步电机转子偏心作用力改变了飞轮转子的第二临界转速的频率和振幅,作用力较大和位置偏置会造成第二临界转速附近的运动失稳。

混合单绕组磁悬浮开关磁阻电机悬浮特性分析

单绕组磁悬浮开关磁阻电机可以实现全功率转矩和转矩/悬浮两种模式运行,具有转矩系统与悬浮系统高度集成的独特优势,但存在悬浮力输出范围有限的弊端。针对上述问题,该文将单绕组磁悬浮开关磁阻电机模块设计,与直流磁悬浮轴承一体化集成,形成混合单绕组磁悬浮开关磁阻电机(hybrid single winding bearingless switched reluctance motor,HSWBSRM)。进一步将HSWBSRM宽支承系统的定子凸极与转子凸极设计为宽齿-窄齿互相配合形式,引入轴向充磁永磁体提供产生悬浮力的偏置磁场,提高悬浮力输出能力,降低了系统的体积与悬浮功耗。该文首先阐明混合单绕组磁悬浮电机结构与运行原理,并揭示设计约束条件。针对典型实验样机参数,构建三维有限元分析模型,着重围绕宽支承系统偏置、主动悬浮特性以及单绕组系统转矩/悬浮特性开展深入分析。最后,在探明宽支承系统与单绕组系统耦合特性的基础上,提出相应控制策略并构建控制系统,验证HSWBSRM悬浮机理的可行性与有效性。

基于双滞环的飞轮储能系统充放电控制策略

针对飞轮储能系统(FESS)充放电过程中直流牵引网压剧烈波动导致电机频繁起停的情况,提出一种基于双滞环的FESS充放电控制策略。该策略在基于电压滞环的传统充放电控制策略的基础上增加了转速滞环控制,通过双滞环控制对FESS的充放电特性进行优化,能够有效避免电机的频繁起停问题,提高系统的储能效率和可靠性。在青岛地铁某线路实现挂网运行,通过工程应用验证了所提策略的可行性和实用性。

基于参数优先级划分的飞轮电机多目标优化

为改善电机转矩性能,同时降低永磁材料成本,首先,根据飞轮电池的运行模式,提出飞轮电机的设计要求,并选取输出转矩、转矩脉动和永磁体用量为设计目标;在此基础上,采用等效磁路法和有限元法计算电机的主要尺寸和性能,同时确定合适的槽极配合以及初始结构参数;其次,使用相关系数法分析该电机各结构参数与优化目标之间的相关性,并合理划分转子尺寸和定子尺寸的优先级;最后,采用有限元代理模型和多目标优化算法(非支配排序遗传算法Ⅱ,NSGA-Ⅱ)相结合的方法对设计参数进行逐级寻优,并通过场路联合仿真和样机实验进行验证.研究结果表明:采用参数优先级划分的方式可以减少优化过程中数据点的采样,缩短了整个过程中有限元分析的时间;优化后,电机反电势梯形化程度更高,转矩脉动减小了40%,永磁体用量降低了8%.

混动专用变速器电机输入轴断裂问题分析解决

某型号混合动力专用变速器在动总台架及整车试验过程中发生P1电机输入轴断裂的问题,在排除电机输入轴本身强度问题的基础上,首次发现在P1电机连续短时起动发动机过程中存在双质量飞轮(DMF)的共振并圈现象。在此基础上,建立一维动力学仿真模型,验证了双质量飞轮的共振并圈现象,发现该现象导致电机输入轴产生的转矩为正常起动过程中转矩的5~6倍。最后提出一种优化起动过程的控制策略,解决了双质量飞轮的共振并圈,进而解决电机输入轴的断裂问题,同时也优化了整车起动过程的NVH性能。这为混合动力系统开发过程中类似问题的解决提供了一种新的思路,具有很强的指导意义和工程价值。

飞轮储能系统电机转子散热研究进展

电机是飞轮储能系统实现电能-动能转换的关键部件,其小体积、大功率的设计特点以及真空运行环境导致电机转子温升问题突出,常规的定子水套冷却已不能满足高功率密度电机转子的散热降温需求。本文首先阐述了飞轮储能电机转子发热的原因及危害,分析了转子涡流损耗、电机温度场的计算方法。回顾了飞轮电机转子被动冷却、主动冷却的研究进展,其中被动冷却包括热辐射与导热,主动冷却包括空心轴内通流冷却与热管冷却,并评估了各种方法的飞轮储能适用性。综合分析表明,强化电机定、转子内部绝缘材料导热以及增强热辐射可以一定程度上防止电机内部热量积聚,降低电机的温度梯度;热管易于安装、集成度高、传热性能优异,但其随轴的旋转传热缺乏验证;空心轴内流冷却技术成熟度高、设计制造简单、传热效果好,可作为高功率密度飞轮电机转子冷却的首选方案。针对MW飞轮储能电机转子散热难题,提出了中空轴内通流冷却的新方案。

液压马达飞轮可靠性试验台的研制

为了研究大型车辆设备在启动、制动时液压马达受到的冲击载荷对其可靠性的影响,在试验室中以飞轮惯性产生加速度来模拟车辆设备受到的冲击,设计一种飞轮可靠性试验台,提出不同转动惯量飞轮搭配为液压马达负载以满足各型号液压马达可靠性试验及冲击试验要求。采用AMESim搭建试验台液压回路并对被测马达进行冲击仿真试验以测试相关性能,将仿真与试验进行对比分析。结果发现两者试验结果基本吻合,验证了液压系统原理的正确性,证明试验台设计合理。

大容量飞轮储能永磁电机控制策略研究

本文研究了飞轮储能系统在两种常用场景下的拓扑结构和控制策略,在电网调频、新能源电站并网的场景下,永磁电机输出交流电压经整流后输出直流电压,再通过逆变器连接电网将电能馈给电网。在轨道交通、大功率不间断电源等场景下,永磁电机输出交流电压经整流后输出直流电压连接直流负载。本文重点研究了飞轮储能系统在连接电网和连接直流负载两种应用场景下的充电和放电控制策略,为了实现飞轮储能大功率长时间放电,本文对一台1MW飞轮储能用永磁同步电机进行了研究,以满足永磁电机恒功率1MW放电3min的技术需求。最后搭建了两种应用场景下的暂态仿真模型,分别仿真了连接电网应用场景下充电和放电过程,连接直流负载应用场景下放电过程。验证了大容量飞轮储能用永磁同步发电电动机控制策略研究成果的正确性。

飞轮储能用永磁同步电机气隙磁通密度波形优化

为了优化气隙磁通密度波形的幅值与正弦畸变率2个关键指标,提出了一种基于Kriging模型与差分进化算法(differential evolution algorithm,DEA)相结合的多目标优化方法。首先,通过对飞轮储能用永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor for flywheel energy storage,FPMSM)有限元模型进行拉丁超立方体采样(Latin hypercube sampling,LHS),取得样本数据,并引入Kriging算法建立对应的替代模型;其次,利用DEA对影响气隙磁通密度波形的关键结构参数进行全局优化,给出Pareto最优解;最后,对Pareto最优解集的3种优化方案与原始方案进行对比分析和有限元验证。结果表明,所提FPMSM气隙磁通密度波形多目标优化方法能够使气隙磁通密度波形在幅值提高的同时,正弦畸变率显著降低。

刮板输送机断链机理分析及几种传动形式对比

简要分析了刮板输送机链传动系统的断链机理,并对几种常见传动形式进行对比分析,最后根据对比分析结果提出了一种最优的传动形式。

基于物联网的储能电站数据链路设计

为解决突发性断电造成的新能源电站数据供能异常问题,本文开展了物联网储能在新能源电站数据中的应用研究。根据物联网电池的机械运行方式描述物联网作业过程,以此为依据,建立物联网电池充放电等效模型。考虑到物联网电池属于双闭环解耦系统,在设计中需引进单神经元网络,采用单神经元PID控制器,通过模糊控制调节电站数据运行中的增益值,实现自适应调整物联网储能参数;根据新能源电站数据的实际作业需求,通过控制器主动调节新能源电站数据工作模式,完成应用研究。实验结果表明,应用物联网储能技术后的电站数据不仅可以解决突发性断电造成的供能异常问题,还可以保障系统运行的稳定性。

飞轮储能电机定子灌封的设计与应用

基于飞轮储能电机功率密度高、需要真空环境运行等特点,为了保证定子的绝缘效果和结构强度以及利于定子的温升控制,决定对其采用灌封工艺处理。首先调研并选取了合适的灌封胶,然后根据实际工况设计了两种不同的定子灌封工装,还理清了从前期准备到开始灌封以及后处理等方面的各个关键点。现已多次在飞轮储能电机的定子灌封实践中得到了有效验证,对其他类型电机的灌封也有参考价值。

基于NPC型三电平变换器的高速磁悬浮飞轮同步载波驱动技术

相比电池储能,飞轮储能具有功率密度高,瞬时功率大,响应速度快等优点,可有效缓解地铁频繁启停对母线电压的冲击。由于我国地铁直流供电网络多为1 500 V电制,两电平变换器无法用常规1 700 V电压等级器件实现安全驱动,因此,本文提出了基于NPC型三电平变换器的高速磁悬浮飞轮同步载波控制技术。首先,建立了三电平驱动系统稳态及换相动态过程的等效模型,分析了驱动电压和定子电流的数学关系;然后,提出了一种同步载波驱动技术,实现了高压、高速无刷电机的加减速控制;最后,设计了磁悬浮飞轮储能系统工程样机,测试了充放电工况下系统的工作状态。实验结果表明,本文所提方法具备快速大功率充放电功能,在充电或放电工况下三电平变换器中点电压均能够保持平衡,系统可稳定运行在额定1 500 V、40 000 r/min参数附近。

基于Matlab/Simulink的环向磁场脉冲电源建模与仿真

介绍了HL 2A装置上由80MVA双Y相差30o的电动飞轮交流脉冲发电机与多组桥式硅整流器组成的环向磁场线圈脉冲供电系统,给出了基于Matlab/Simulink和一些等效方法建立起来的80MVA六相交流飞轮发电机及其励磁系统与其它部件的仿真模型,得到了初步的仿真结果,并与实际放电波形进行了比较,两者的波形基本符合。

多功能柔性功率调节器的启动和并网研究

多功能柔性功率调节器(FPC)可视为不带机械负载且转动惯量很大的双馈电机,具有独立快速的有功、无功调节能力,在提高电力系统稳定性和改善电能质量等方面具有良好的应用前景。文中主要研究了FPC的启动和并网方法。根据FPC自身的特性,选用了转子串电阻启动和直接变频启动这2种启动方法,并进行了详细的理论和数字仿真分析。这2种方法都采用了直接并网方式,尤其是后者既无需控制策略的切换,也无需增加额外的辅助启动设备,因而最为理想,可为双馈电机所借鉴。